필름 전해질 늘려 수명 향상… 폭발 위험 낮춘 전고체 배터리 개발

• UNIST·숙명여대, 고성능 필름 고분자 전해질 개발
• 리튬이온 이동 통로를 열어 성능 개선
• 200회 충·방전 후 용량 유지율 78%

국내 연구진이 필름 형태의 전해질을 한 방향으로 잡아당기는 간단한 공정만으로 전고체 배터리의 수명과 안전성을 동시에 개선하는 기술을 확보했다. 전고체 배터리는 폭발 위험이 낮아 차세대 전기차와 대용량 에너지 저장 장치의 핵심 후보로 꼽히지만, 이온 이동 속도가 느려 충·방전 반복 시 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수와 숙명여대 주세훈 교수 공동연구팀은 불소계 고분자(PVDF-TrFE-CFE) 기반의 필름형 전해질을 개발했다고 17일 밝혔다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 이동하는 경로 역할을 하는 소재로, 현재 상용 배터리 대부분은 인화성 액체 전해질을 사용한다. 이를 고체로 대체한 전고체 배터리는 폭발 위험은 낮지만, 이온 이동성이 떨어져 수명 유지가 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 필름 전해질을 한 방향으로 잡아당기는 일축 연신 공정을 적용했다. 고분자 내부의 뒤엉킨 사슬 구조가 길게 펴지며 리튬이온이 이동할 수 있는 통로가 확보되는 방식이다. 여기에 세라믹 분말(LLZTO)을 배합해 유연성과 내화성, 이온 전도도를 동시에 높였다.

실험 결과 연신 공정이 적용된 전해질은 연신하지 않은 전해질보다 리튬이온 확산 속도가 4.8배 빨랐고, 이온 전도도는 72% 증가했다.

이 복합 전해질을 리튬금속–리튬인산철(LFP) 배터리에 적용한 결과 200회 충·방전 뒤에도 초기 용량의 약 78%를 유지했다. 반면 연신 공정을 적용하지 않은 고분자 전해질은 같은 조건에서 55% 수준까지 감소했다. 난연 실험에서는 불이 붙은 뒤 약 4초 만에 자연 소화됐다.

강석주 교수는 “고분자 전해질은 유연하고 대량 생산이 가능해 산업 적용성이 높다”며 “이번 공정은 특정 고분자에만 국한되지 않아 더 안전하고 오래가는 전고체 배터리 상용화에 기여할 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 UNIST, 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받았으며, 국제 학술지 ‘Energy Storage Materials’ 10월 31일 온라인판에 게재됐다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr